JP2003115312A - 燃料電池装置及び燃料電池装置の出力取り出し方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電力を利用する機器が多様化した場合でも
柔軟に対応できる燃料電池装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池装置１を水素のような燃料流体
を用いて電力を発生させる複数の発電セル２と、該発電
セル２のそれぞれに接続する複数の接続端子３ａ〜３ｄ
と、接続端子３ａ〜３ｄの間の電気的な接続関係を可変
とする接続切替板４のような接続モジュールによって構
成する。このような接続モジュールによって複数の発電
セル２の間の電気的な接続関係を柔軟且つ容易に切り替
えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素やメタノールな
どの燃料流体を供給することで発電セルに電力を発生さ
せる燃料電池装置とそのような燃料電池装置の出力取り
出し方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料気体を供給することで
発電体に電力を発生させる装置であり、そのような燃料
電池の一例として、プロトン伝導体膜を気体電極で挟ん
だ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。
このような燃料電池は、自動車などの車両に搭載して電
気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期
待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造
から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、
例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にあ
る。

【０００３】ここで、プロトン伝導体膜を用いた燃料電
池について、簡単に図１６を参照しながら説明する。プ
ロトン伝導体膜２０１は水素側電極２０２と酸素側電極
２０３に挟持され、解離したプロトン（Ｈ^＋）は図面矢
印方向に沿って水素側電極２０２から酸素側電極２０３
に向かってプロトン伝導体膜２０１の膜中を移動する。
水素側電極２０２とプロトン伝導体膜２０１の間には、
触媒層２０２ａが形成され、酸素側電極２０３とプロト
ン伝導体膜２０１の間には、触媒層２０３ａが形成され
る。使用時には、水素側電極２０２では導入口２１２か
ら水素ガス（Ｈ _２）が燃料気体として供給され、排出口
２１３から水素が排出される。燃料気体である水素ガス
（Ｈ_２）が気体流路２１５を通過する間にプロトンを発
生し、このプロトンは酸素側電極２０３に移動する。こ
の移動したプロトンは、導入口２１６から気体流路２１
７に供給されて排気口２１８に向かう酸素（空気）と反
応して、これにより所望の起電力が取り出される。

【０００４】このような構成の燃料電池では、水素を燃
料とする場合、負極である水素側電極では触媒と高分子
電解質の接触界面において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如
き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である
酸素側電極では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ
_２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。プロトン伝導
体膜２０１でプロトンが解離しつつ、水素側電極２０２
から供給されるプロトンが酸素側電極２０３に移動する
ので、プロトンの伝導率が高くなるという特徴がある。
また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃
料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。

【０００５】前述のようなプロトン伝導体膜を用いた燃
料電池では、プロトン伝導体膜２０１とこれを挟む水素
側電極２０２と酸素側電極２０３が発電体となり、その
各電極側には起電力を取り出すための集電体もそれぞれ
形成される。

【０００６】燃料電池の出力（電流値）を高めるために
は、プロトン伝導体膜２０１とこれを挟む水素側電極２
０２と酸素側電極２０３からなる発電体の寸法を大きく
することが有効である。例えば、プロトン伝導体膜２０
１の面積を２倍とした場合では、その出力となる電流値
も２倍となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
燃料電池においては、発電セルの配置として酸素側を大
気開口することが有効であり、２枚の発電セルの水素側
電極を貼り合わせ、酸素側電極を筐体の表面及び裏面に
臨ませる構成（例えば、特願２００１−２０６１２２号
に添付された明細書及び図面）が案出されている。この
ように平板形状の発電セルを２枚重ねる燃料電池では、
さらに発電力を上げる場合には、平板形状の発電セルの
組を多数並べる必要がある一方で、大気開口部分を塞ぐ
ことができないことから、平面状に並べることで電力を
稼ぐことが行われている。

【０００８】このような平板型の発電セルからの電力を
受けて作動する機器においては、発電セル１枚当たりの
電圧が概ね決まっていることから、高電圧の出力を利用
する場合には直列接続される発電セルの段数を増加させ
る必要がある。ところが、平板型の筐体形状を維持した
まま、発電セルの段数を増加させた場合には、必然的に
平面サイズそのものが大きくなってしまう。

【０００９】また、機器によっては必要とする電圧が異
なっており、機器によっては低電圧で良い場合もあり、
他の電子機器ではより高い電圧が必要となる場合があ
る。各機器ごとに、適切な電力を供給することが理想的
であるが、低コスト化を実現させるためには、燃料電池
を製品として多数製造することも重要であり、燃料電池
の筐体のサイズを規格化することも必要となる。しかし
ながら、上述のように、平板型の発電セルを内蔵させて
規格化した場合では、自ずと内部配線などが決められて
しまうことから、多くの機器に対応することが困難とな
る。

【００１０】そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑
み、発電力を利用する機器が多様化した場合でも柔軟に
対応できる燃料電池装置と燃料電池装置の出力取り出し
方法を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池装置
は、上述の技術的な課題を解決するため、燃料流体を用
いて電力を発生させる複数の発電セルと、前記発電セル
のそれぞれに接続する複数の接続端子と、前記接続端子
の間の電気的な接続関係を可変とする接続モジュールと
を有することを特徴とする。

【００１２】本発明の燃料電池装置によれば、複数の発
電セルで電力が発生し、それらの発電セルで発生した電
力が接続端子を介して接続モジュールに伝わる。接続モ
ジュールは接続端子の間の電気的な接続関係を可変とす
ることから、例えば複数の発電セルの間を直列接続させ
て出力電圧を高く設定したり、或いは並列接続させて出
力電圧を低く設定したりできる。

【００１３】また、本発明の他の燃料電池装置は、表面
に開口部を有する略平板状の筐体と、前記筐体内に前記
開口部に臨んで配設され燃料流体を用いて電力を発生さ
せる複数の略平板状の発電セルと、前記発電セルのそれ
ぞれに接続する複数の接続端子と、前記接続端子の間の
電気的な接続関係を可変とする接続モジュールとを有す
ることを特徴とする。

【００１４】前述のような発電セルの形状を略平板状と
することで、表面に開口部を有する略平板状の筐体内に
配設した時に、発電セルの表面が筐体の開口部に臨むこ
とになり、大気に開口した面からの水分除去が可能であ
る。本発明においても、接続モジュールは接続端子の間
の電気的な接続関係を可変とすることから、例えば複数
の発電セルの間を直列接続させて出力電圧を高く設定し
たり、或いは並列接続させて出力電圧を低く設定したり
できる。

【００１５】本発明の燃料電池装置の出力取り出し方法
は、燃料流体を用いて電力を発生させる複数の発電セル
にそれぞれ接続する複数の接続端子を形成し、前記接続
端子の間の電気的な接続関係を可変とする接続モジュー
ルを用いて前記発電セルから取り出す電力を可変とする
ことを特徴とする。

【００１６】本発明の燃料電池装置の出力取り出し方法
によれば、複数の発電セルにそれぞれ接続する複数の接
続端子を形成しているために、複数の発電セルで発生し
た電力が接続端子を介して接続モジュールに伝えられ
る。接続モジュールは接続端子の間の電気的な接続関係
を可変とすることから、出力電圧の設定の自由度を増大
させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池装置
の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１
は本実施形態の燃料電池装置を示す斜視図であり、図２
は本実施形態の燃料電池装置を示す平面図である。

【００１８】図１及び図２に示すように、本実施形態の
燃料電池装置１は、やや厚めのカード型即ち略平板形状
の筐体５を有しており、その内部に４つの発電セルが収
納されている。

【００１９】筐体５は、例えばステンレスなどの金属材
料から構成されるが、鉄、アルミニウム、或いはチタ
ン、マグネシウムなどの金属材料や、エポキシ、ABS、
ポリスチレン、PET、ポリカーボネートの如き耐熱性や
耐薬品性に優れた樹脂材料などを使用することができ、
或いは耐腐食性が十分な繊維強化樹脂のような複合材料
を用いても良い。筐体５は側面が立ち上がる構造の下側
筐体に、略平板状の表面部１１が配された構造を有し、
筐体５の表面側と裏面側には４つの発電セルの酸素側電
極に酸素を供給するように開口した複数の開口部１０が
マトリクス状に配列されて設けられている。複数の開口
部１０が設けられた領域に対応して発電セル２が配設さ
れる。この開口部１０によって酸素側電極が後述するよ
うに大気開放されることになり、有効な酸素の取り込み
が特別な吸気装置を要せずして実現され、同時に排出さ
れる余分な水分の除去も実現される。

【００２０】開口部１０の形状は、本実施形態では、各
集電体のパターンを格子状とすることから、この格子状
パターンと同形状とされるが、他の形状にすることも可
能であり、個々の開口部の形状を円形、楕円形、ストラ
イプ形状、多角形形状などの各種の形にすることも可能
である。また、開口部１０は、本例では板状の表面部１
１を切り欠いて形成されているが、酸素側電極の大気開
放状態を損なわない範囲でゴミやチリなどの侵入や付着
を防止するために該開口部１０に網や不織布などを設け
るようにすることも可能である。筐体５の下側にも開口
部が形成されているが、形状や網や不織布を設けること
ができる点については同様である。

【００２１】発電セル２は、筐体５の厚み方向に２段、
水平方向に２つ並べて配列されており、１つの発電セル
２は略正方形の平板形状を有する。この発電セル２は多
層構造を有しており、図３及び図４に各発電セルの分解
斜視図を示す。図３に示すように、発電セル２は発電体
１７、２０を集電体１６、２１で上下方向で挟んだ構造
を有しており、一対の発電体１７、２０に挟まれている
水素供給部１８は水素側電極の集電体としても機能す
る。

【００２２】先ず、図４を参照しながら発電体１７、２
０の構造について説明する。発電体１７、２０は共通の
構造を有しており、異なる点については、筐体内で上側
に配される方が発電体１７であり、筐体内で下側に配さ
れる方が発電体２０であり、さらに発電体１７、２０の
水素側電極３３が筐体の中心側を向き、発電体１７、２
０の酸素側電極３１が筐体の外側となるように実装され
る点であり、換言すれば、発電体１７、２０は同じ構造
ながら取り付けの表裏の向きが異なっている。

【００２３】固体高分子膜であるプロトン伝導体膜３２
が正方形に近い略矩形状の形状で設けられており、発電
中は当該プロトン伝導体膜３２の膜中を解離したプロト
ンが移動する。このプロトン伝導体膜３２を挟んで一方
に酸素側電極３１が密着して形成され、他方に水素側電
極３３が密着して形成される。酸素側電極３１はプロト
ン伝導体膜３２と実質的に同サイズの正方形に近い略矩
形状の形状であるが、水素側電極３３はこれら酸素側電
極３１及びプロトン伝導体膜３２よりは小さなサイズの
正方形に近い略矩形状の形状とされる。このため水素側
電極３３をプロトン伝導体膜３２上に貼り合わせた状態
では、プロトン伝導体膜３２の周囲が約２ｍｍ程度の幅
で露出した状態になる。

【００２４】図４に示すように、この水素側電極３３を
プロトン伝導体膜３２上に貼り合わせた状態で露出する
プロトン伝導体膜３２の周囲に、特にガスケット材であ
るシール材３４が密着するように取り付けられる。この
シール材３４は例えばシリコンゴムなどの弾力性と気密
性を供えた材料が用いられ、このシール材３４の内側に
形成された大きな孔３５がプロトン伝導体膜３２よりは
小さなサイズの水素側電極３３に外側から嵌合する。酸
素側電極３１の側は、基本的に大きな開口部により大気
開放されているので、ガスのシールが不要化可能である
ことから、このようなガスケット材が不要となり、これ
によって部品点数の削減や組み立て工数の低減を実現さ
せることができる。

【００２５】ガスケット材として形成されるシール材３
４は、水素側電極３３と実質的に同じ厚みで形成される
か、若しくは水素側電極３３よりも厚みが厚くされる。
例えば、水素側電極３３の厚みが０．２ｍｍである場合
に、シール材３４の厚みを０．３ｍｍとすることもで
き、シール材３４は弾性材料であるために、集電体が押
し付けられた場合には０．１ｍｍ程度の厚み方向の収縮
が生じて均一な集電体とシール材３４及びその内側の水
素側電極３３の接触が実現され、この均一な接触から電
気的な特性も向上する。また、酸素側電極３１の側には
シール材が存在しないため、プロトン伝導体膜３２の端
部は、従来の構造のように両面にシール材を形成するも
のに比べた場合では、シール材のばらつきの影響を受け
ずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改
善することができる。

【００２６】次に、水素供給部１８の構造について説明
すると、この水素供給部１８は燃料電池装置１の垂直方
向における中心に位置する部材であり、燃料気体である
水素を発電体１７、２０の間のスペースに送り込むと共
に集電体によって電力取り出しを行う機能を有してい
る。この水素供給部１８は、一対の水素側集電体と、そ
の間に挟持されて発電体に連通する気体流路を形成する
一対の絶縁膜を有している。

【００２７】水素供給部１８の水素側集電体はその上下
に配される発電体１７、２０の表面に位置する水素側電
極３３に面接触する部材であり、該発電体１７、２０と
の接触面に形成される開口部１８ｃが水素ガス等を透過
させる。この水素側集電体は例えば金メッキされた金属
板などから構成され、発電体２０の水素側電極３３の表
面に当接する。この発電体１７、２０との接触面に位置
する開口部１８ｃによって水素ガスあるいはメタノール
などの燃料流体を面状の発電体１７、２０の広い範囲に
わたって送ることができる。

【００２８】このような水素側集電体は面同士が対向す
るように配置され、その間のスペーサとして絶縁膜が水
素側集電体の間に挟持されるように設けられている。一
対の絶縁膜は、例えばポリカーボネートなどの樹脂フィ
ルムを外枠だけ残して型抜き加工したもので構成され
る。絶縁膜によって略矩形状の膜厚に応じたスペースか
らなる燃料流路を構成し、このスペースは垂直方向では
水素側集電体の間に挟まれたものとなる。なお、絶縁膜
の水素導入管７側には、該水素導入管７の中空部に突設
片１８ａ、１８ｂを介して連通する図示しない水素導入
口が形成される。突設片１８ａ、１８ｂの端部にも絶縁
膜は延長されており、絶縁膜で形成された燃料流路を水
素等が通過する。

【００２９】水素導入管７は燃料電池装置１の長手方向
に沿って延長される断面矩形状の配管部材であり、水素
吸蔵スティック１９が接続する側の端部には該水素吸蔵
スティック１９の突起部２３が嵌合される水素流入口１
３が形成されている。水素導入管７は水素等を通過させ
るために中空とされている。この水素導入管７内の一部
に水素貯蔵合金などを配しても良い。水素導入管７と水
素側集電体の接続点は水素導入管７の側面に形成された
横長な挿入口に突設片１８ａ、１８ｂの各先端部が挿入
されることで形成される。

【００３０】このような構造の水素供給部１８の水素側
集電体には、それぞれ上側と下側で接続端子３ａ、３ｄ
が水素導入管７が配された側とは反対側に水素導入管７
の長手方向とは垂直な方向に突出するように設けられて
いる。接続端子３ａ、３ｄは略矩形状の突設片であり、
水素側集電体の一部を突設させたものであるが、良導体
の別部材を接着或いは固定するようにしても良い。接続
端子３ａは上側の発電体１７に対する接続端子であり、
接続端子３ｄは下側の発電体２０に対する接続端子であ
る。これら接続端子３ａ、３ｄの極性はマイナス側とな
り、接続端子３ａの位置はやや左端側に近い位置とさ
れ、接続端子３ｄの位置はやや右端側に近い位置とされ
る。これら接続端子３ａ、３ｄは図示しない絶縁膜によ
って電気的には導通していない。

【００３１】このような水素供給部１８は発電体１７、
２０で挟み込まれることから、共通の１つの部材を使用
することができるが、酸素側の集電体は上側集電体１６
と下側集電体２１に別れている。上側集電体１６と下側
集電体２１は、例えば金メッキされた金属板から構成さ
れ、発電体１７、２０の酸素側電極に当接すると共に当
該酸素側集電体１６、２１にそれぞれ形成された開口部
１６ａ、２１ａを介して酸素を供給する。ここで、各開
口部１６ａ、２１ａは当該集電体の気体透過部として機
能し、開口部１６ａ、２１ａ自体は大きく開口してお
り、発電体１７、２０の酸素側電極を大気開放状態にさ
せることができ、空気中の酸素分圧を下げることなく発
電体１７、２０に酸素を供給できる。また、同時に発電
体１２からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部
１６ａ、２１ａ自体は大きく開口しており、大気開放状
態となることから、電極表面に生成された水分も良好に
除去することが可能である。なお、酸素側集電体１６、
２１としては、カーボン材料などの導電性プラスチック
などを用いても良く、支持体に金属膜など形成した構造
などでも良い。

【００３２】酸素側の上側集電体１６には、水素導入管
７が配された側とは反対側に水素導入管７の長手方向と
は垂直な方向に突出するように接続端子３ｂが設けられ
ている。接続端子３ｂは略矩形状の突設片であり、酸素
側集電体１６の一部を突設させたものであるが、良導体
の別部材を接着或いは固定するようにしても良い。接続
端子３ｂは上側の発電体１７に対する接続端子であり、
接続端子３ｂの極性はプラス側となり、接続端子３ｂの
位置は中央からやや左端側に近い位置とされ、接続端子
３ａの位置よりもやや中央側に近い位置とされる。この
接続端子３ｂと接続端子３ａが上側の発電体１７の電力
取り出しに用いられる。

【００３３】酸素側の下側集電体２１には、水素導入管
７が配された側とは反対側に水素導入管７の長手方向と
は垂直な方向に突出するように接続端子３ｃが設けられ
ている。接続端子３ｃは略矩形状の突設片であり、酸素
側集電体１６の一部を突設させたものであるが、良導体
の別部材を接着或いは固定するようにしても良い。接続
端子３ｃは下側の発電体２０に対する接続端子であり、
接続端子３ｃの極性はプラス側となり、接続端子３ｃの
位置は中央からやや右端側に近い位置とされ、接続端子
３ｄの位置よりもやや中央側に近い位置とされる。この
接続端子３ｃと接続端子３ｄが下側の発電体２１の電力
取り出しに用いられる。

【００３４】上述のように本実施形態の燃料電池装置１
においては、上側と下側の発電体１７、２０からそれぞ
れ２つの接続端子が突設され、１組の発電体１７、２０
で4個の接続端子３ａ〜３ｄが突設され、すなわち発電
体１７、２０は水平方向に2個ずつ配列されていること
から全部で８個の接続端子３ａ〜３ｄが突設されてい
る。これらの接続端子３ａ〜３ｄは前記筐体５の一側面
５aに集約され、この側面に接続関係を決定する接続モ
ジュールである接続切替板４が取り付けられる。

【００３５】この接続モジュールである接続切替板４
は、細長い板状の部材であって、電子機器の配線基板の
ように表面に配線層が所要のパターンで形成されてい
る。本実施形態において、接続切替板４は筐体５に着脱
自在な３枚１組の接続切替板４Ａ、４Ｂ、４Ｃのうちの
１つであり、これら３枚の接続切替板４Ａ、４Ｂ、４Ｃ
のうちの１つが選択的に筐体５に取り付けられる。

【００３６】図５乃至図７に各接続切替板４Ａ、４Ｂ、
４Ｃの配線パターンを例示的に示す。図５は４つの発電
セルが直列に接続される接続関係のための接続切替板４
Ａを示す図である。前述の発電セル２の合計８個の接続
端子３ａ〜３ｄは、それぞれ対応した位置に形成されて
いる貫通穴９ａ〜９ｄを貫通する。貫通穴９ａ〜９ｄの
内壁部には導電層が形成されており、貫通穴９ａ〜９ｄ
の各接続端子３ａ〜３ｄを差し込むことで、導電層に対
する導通が取れることになる。接続切替板４Ａはガラス
・エポキシ樹脂などの配線基板が使用されるが、他の材
料を用いても良い。

【００３７】接続切替板４Ａの長手方向の端部において
は、一対の出力端子８ａ、８ｂが形成されており、これ
ら一対の出力端子８ａ、８ｂの間に４つの発電セル２が
直列接続される。具体的には、出力端子８ａは配線層１
３ａを介して左側貫通穴９ｃに接続されて左側の接続端
子３ｃに接続する。この左側の接続端子３ｃは左下側の
発電セル２のプラス端子であり、この左下側の発電セル
２のマイナス端子は接続端子３ｄであって左側貫通穴９
ｄから配線層１３ｂを介して右側貫通穴９ｃに至る。右
側貫通穴９ｃでは右下側の発電セル２のプラス端子であ
る右側の接続端子３ｃが接続され、右下側の発電セル２
のマイナス端子である接続端子３ｄは右側貫通穴９ｄ及
び配線層１３ｃを介して右側貫通穴９ｂに至り、該右側
貫通穴９ｂで右上側の発電セル２のプラス端子である接
続端子３ｂに接続される。右上側の発電セル２のマイナ
ス端子である接続端子３ａは右側貫通穴９ａ及び配線層
１３ｄを介して左上側の発電セル２のプラス端子である
接続端子３ｂに左側貫通穴９ｂを介して接続される。左
上側の発電セル２のマイナス端子である接続端子３ａは
配線層１３ｅを介して出力端子８ｂに至る。このように
接続切替板４Ａの配線層１３ａ〜１３ｅによって、４つ
の発電セル２はプラス端子とマイナス端子が交互に接続
されて、４つの発電セル２の直列状態となる。このため
出力端子８ａ、８ｂの間に１つの発電セル２の約４倍の
電圧を引き出すことができる。

【００３８】次に、図６に示す接続切替板４Bは４つの
発電セル２の中の２つが並列に接続され、その並列接続
されたものが直列接続される接続関係を提供する。前述
の接続切替板４Aと同様に接続切替板４Bにおいても発電
セル２の合計８個の接続端子３ａ〜３ｄは、それぞれ対
応した位置に形成されている貫通穴９ａ〜９ｄを貫通す
る。貫通穴９ａ〜９ｄの内壁部には導電層が形成されて
おり、貫通穴９ａ〜９ｄの各接続端子３ａ〜３ｄを差し
込むことで、導電層に対する導通が取れることになる。
貫通穴９ａ〜９ｄの位置や接続切替板のサイズは、接続
切替板４A、４Bの間で実質的に同一であり、接続切替板
４Bとしてはガラス・エポキシ樹脂などの配線基板が使
用されるが、他の材料を用いても良い。

【００３９】接続切替板４Bの長手方向の端部において
は、一対の出力端子８ａ、８ｂが形成されており、これ
ら一対の出力端子８ａ、８ｂの間に２つの発電セル２が
直列接続されたものが並列接続されている。具体的に
は、出力端子８ａは、配線層１４ａを介して左側貫通穴
９ｂに接続され、さらに左側貫通穴９ｂは配線層１４ｂ
を介して右側貫通穴９ｂにも接続する。従って、上側の
各発電セル２のプラス端子は出力端子８ａに接続され
る。左上側の発電セル２の接続端子３ａは貫通穴９ａ及
び配線層１４ｃを介して右上側の発電セル２の接続端子
３ａに貫通穴９ａを介して接続され、さらに略横J字状
に引き回される配線層１４ｄと、直線状の配線層１４ｅ
によって下側の発電セル２の接続端子３ｃにも貫通穴９
ｃを介して接続する。その結果、左右の発電セル２で接
続端子３ａと接続端子３ｃが共通接続されることにな
り、この共通接続部が４つの発電セル２の接続の中点と
される。出力端子８ｂは配線層１４ｆを介して左下側発
電セル２の接続端子３ｄに接続され、さらに配線層１４
ｇを介して右下側の発電セル２の接続端子３ｄに接続さ
れる。従って、下側の各発電セル２のマイナス端子は出
力端子８ｂに接続される。このように接続切替板４Bの
配線層１４ａ〜１４ｇによって、４つの発電セル２は２
つの発電セル２の並列状態のものが直列接続されたもの
となる。このため出力端子８ａ、８ｂの間に１つの発電
セル２の２倍の電圧と２倍の電流を引き出すことができ
る。

【００４０】次に、図７に示す接続切替板４Cは４つの
発電セル２が並列に接続される例である。前述の接続切
替板４Aと同様に接続切替板４Cにおいても発電セル２の
合計８個の接続端子３ａ〜３ｄは、それぞれ対応した位
置に形成されている貫通穴９ａ〜９ｄを貫通する。貫通
穴９ａ〜９ｄの内壁部には導電層が形成されており、貫
通穴９ａ〜９ｄの各接続端子３ａ〜３ｄを差し込むこと
で、導電層に対する導通が取れることになる。貫通穴９
ａ〜９ｄの位置や接続切替板のサイズは、接続切替板４
A、４Cの間で実質的に同一であり、接続切替板４Cとし
てはガラス・エポキシ樹脂などの配線基板が使用される
が、他の材料を用いても良い。

【００４１】接続切替板４Cの長手方向の端部において
は、一対の出力端子８ａ、８ｂが形成されており、これ
ら一対の出力端子８ａ、８ｂの間に４つの発電セル２が
並列接続される。具体的には、出力端子８ａにプラス端
子である接続端子３ｂ、３ｃが接続され、出力端子８ｂ
にマイナス端子である接続端子３ａ、３ｄが接続され
る。プラス端子である接続端子３ｂ、３ｃの接続用に配
線層１５ａ〜１５ｄが使用され、配線層１５ｅ〜１５ｈ
によってマイナス端子である接続端子３ａ、３ｄの接続
が行われる。このような配線によって接続切替板４Cで
は、４つの発電セル２が並列接続された接続関係とな
り、その結果として、本実施形態の燃料電池装置１では
発電セル１個分の低い電圧ながら４倍の電流が取り出せ
る。

【００４２】なお、図５から図７までに示す配線パター
ンは一例に過ぎず、他の配線パターンも可能である。例
えば出力端子を２端子から４端子に増やし、４端子の中
の２端子（プラス、マイナスの１組）からは、ある電圧
が得られ、同じ筐体の他の２端子（プラス、マイナスの
他の１組）からは異なる電圧が得られるような配線でも
良い。また、接続関係を切り替えるために、複数の接続
切替板を選択的に取り付ける構成ではなく、スライドス
イッチやディップスイッチを配線板に形成したり、ヒュ
ーズ又はワイヤの断続を行ったり、配線パターンを有す
る導電性シートの貼り合わせなどを行っても良い。接続
端子を貫通穴に挿入して接続させる方式に限らず、接続
切替板の裏面若しくは表面のパッドを形成し、そのパッ
ド表面に接続端子を圧着させて実装するようにしても良
い。また、燃料電池装置の接続端子をワイヤを介して接
続切替板に接続しても良く、フレキシブルプリント配線
フィルムなどを組み合わせることも可能である。

【００４３】このような各接続切替板４Ａ、４Ｂ、４Ｃ
はそれぞれ接続端子３ａ〜３ｄに貫通穴９ａ〜９ｄを介
して嵌合して筐体５に対して選択的に取り付けられる。
筐体５に取り付けた際に、その接続端子３ａ〜３ｄを保
護する目的で図１に示すようにカバー６を取り付けるこ
ともできる。カバー６は内側が切り欠かれて接続切替板
４を収納できる寸法を有しており、その外形は筐体５と
連続性を保つ形状となっている。該カバー６の長手方向
の両端には、樹脂製で弾力性のある突設片１２が形成さ
れており、図示しない筐体５の側部嵌合部に嵌合してカ
バー６を固定させる。このようなカバー６を用いること
で、当該燃料電池装置１の出力電圧を変えようとした場
合でも、カバー６を外して内部の各接続切替板４Ａ、４
Ｂ、４Ｃを所要のものに差し替えることで簡単に実現で
き、同じ燃料電池装置１を異なる機器に対して使用する
場合でも便利である。また、カバーの一部に接続切替板
を形成することも可能であり、その場合の接続関係の切
替作業はカバーを交換することで行われる。

【００４４】次に、図８乃至図１１を参照して、他の実
施形態にかかる燃料電池装置４１について説明する。本
実施形態の燃料電池装置４１は、前述の燃料電池装置１
と同様に、やや厚めのカード型即ち略平板形状の筐体４
５を有しており、その内部に４つの発電セル４２が収納
されている。

【００４５】この発電セル４２は、前述の燃料電池装置
１の発電セル２と略同一の構造を有しているが、その接
続端子４３ａ〜４３ｄが筐体４５の側面ではなく、筐体
４５の表面部５１の略中央部に奥から手前に亘って延長
される領域に集約して取り出されるように構成されてい
る。この領域には、図８に示すように、カバー４６が取
り付けられるが、その部分では開口部５０が形成されて
おらず、矩形状の開口部５０はマトリクス状に表面部５
１及び図示しない裏面に配列されている。

【００４６】図９に筐体４５の表面部５１を外して見た
ところの平面図を示し、図１０は図９のX-X線断面であ
る。なお、図１０では筐体４５を除いて図示している。
発電セル４２は、筐体４５の厚み方向に２段、水平方向
に２つ並べて配列されており、１つの発電セル４２は略
正方形の平板形状を有する。この発電セル４２は多層構
造を有しており、前述の燃料電池装置１の発電セル２と
略同一の構造を有しているが、前述の発電セル２と本実
施形態の発電セル４２の間では接続端子４３ａ〜４３ｄ
の取り出し方が異なる構造となっている。図１０に示す
ように、水素導入管４７から突設部５８ａ、５８ｂを介
して絶縁膜６１を挟み込む水素側集電体５５、５８の間
に燃料流体である水素等が導入される。下側水素側集電
体５８には略L字状に水平から垂直方向に立ち上がる接
続端子４３ｄが設けられている。上側水素側集電体５５
には略L字状に水平から垂直方向に立ち上がる接続端子
４３ａが設けられている。

【００４７】上側水素側集電体５５の上には上側発電体
６０が配設されており、その上側発電体６０の直ぐ上に
は上側酸素側集電体５６が配設されている。上側酸素側
集電体５６には、その電極取り出しのため、略L字状に
水平から垂直方向に立ち上がる接続端子４３ｂが設けら
れている。また、下側水素側集電体５８の上には下側発
電体５９が配設されており、その下側発電体５９の直ぐ
下には下側酸素側集電体５７が配設されている。下側酸
素側集電体５７には、その電極取り出しのため、略L字
状に水平から垂直方向に立ち上がる接続端子４３ｃが設
けられている。この構成において、接続端子４３ａ、４
３ｄがマイナス端子であり、接続端子４３ｂ、４３ｃが
プラス端子となる。発電セル４２は左右対称に配列され
るため、左右両方の接続端子４３ａ〜４３ｄ、合計８本
が全て筐体中央部で立ち上がり、その部分で筐体外部ま
で延長されている。

【００４８】図１１は３つの接続形態を構成する接続モ
ジュールとしての接続切替板４４A、４４B、４４Cを示
す図である。接続切替板４４Aは（ａ）に示され、接続
切替板４４Bは（ｂ）に示され、接続切替板４４Cは
（ｃ）に示されている。図１１において、貫通穴４９ａ
〜４９ｄは接続端子４３ａ〜４３ｄがそれぞれ挿入され
て導通するように構成されており、所要の配線層に接続
する。これら接続切替板４４A、４４B、４４Cは選択的
に筐体４５の表面に取り付けられて使用される。

【００４９】接続切替板４４Aは、４つの発電セル４２
を直列に接続するための配線層のパターンを有してお
り、出力端子４８ａは右側の接続端子４３ｂに接続さ
れ、その発電セル（右上側）４２の接続端子４３ａは左
側の接続端子４３ｂに接続される。左側の接続端子４３
ｂにかかる発電セル（左上側）４２の接続端子４３ａ
は、同じ左側の発電セル４２の接続端子４３ｃに接続さ
れる。この左下側の発電セル４２の接続端子４３ｄは、
右下側の発電セル４２の接続端子４３ｃに接続され、右
下側の発電セル４２の接続端子４３ｄは出力端子４８ｂ
に接続される。このような配線形態によって、４つの発
電セル４２が直列状態となり、セル４個分の高い電圧を
供給できる。

【００５０】接続切替板４４Bは、４つの発電セル４２
の中の２つが並列に接続され、その並列接続されたもの
が直列接続される接続関係を形成する。出力端子４８ａ
は左右上側の発電セル４２の接続端子４３ｂに共通接続
され、それら左右上側の発電セル４２の共通接続された
接続端子４３ａは左右下側の発電セル４２の接続端子４
３ｃに共通接続される。この左右下側の発電セル４２の
接続端子４３ｄは共通接続されて出力端子４８ｂに接続
される。このような接続関係から、２個の発電セル４２
が並列接続され、それが直列に２段接続されたものとな
る。

【００５１】接続切替板４４Cは、４つの発電セル４２
が並列に接続される例を示しており、出力端子４８ａは
各発電セル４２のプラス端子である接続端子４３ｂ、４
３ｃに共通に接続され、出力端子４８ｂは各発電セル４
２のマイナス端子である接続端子４３ａ、４３ｄに共通
に接続される。このような配線形態によって、４つの発
電セル４２が並列状態となり、セル１個分の低い電圧な
がらも４倍の大電流を供給できることになる。

【００５２】次に、図１２乃至図１４を参照しながら、
更に他の実施形態について説明する。本実施形態の燃料
電池装置７１は、前述の燃料電池装置１、４１と同様
に、やや厚めのカード型即ち略平板形状の筐体７５を有
しており、その内部に４つの発電セル７２が収納されて
いる。４つの発電セル７２はそれぞれ筐体７５に形成さ
れた開口部８０にその酸素側集電体が臨むように取り付
けられる。本実施形態の燃料電池装置７１は、その起電
力を使用する機器側が必要な電圧及び電流を任意に設定
できるように構成したものであり、接続モジュールの構
成が機器側に配される構造とされる。

【００５３】この発電セル７２は前述の燃料電池装置１
の発電セル２と略同一の構造を有しているが、図１４に
示すように、その発電セル７２の集電体８１から延在さ
れた突設片８３は導電性を有するバネ８２を介して接続
端子７３ｘ（添字ｘはａ〜ｄ）に接続される。ここで接
続端子７３ｘの形状は、略円盤状で鍔部が筐体７５の外
部に対する抜け止めとして機能するように構成されてい
る。図１３に示すように、接続端子７３a〜７３ｄは筐
体７５の側面に水平方向で直線状に離間して並べて配置
され、前記円盤部分が筐体７５の肉厚部分を貫通するよ
うに構成される。これら接続端子７３a〜７３ｄは集電
体との間にバネ８２が存在することから、機器８５側に
形成されたピン８４a〜８４ｄと係合し、この時、バネ
８２による弾性力を利用して電気的な接続を維持でき
る。また、バネ８２によって各発電セル７２の各突設片
８３が上下方向にずれていても確実に側面中央に並ぶ接
続端子７３a〜７３ｄに接続できる。なお、接続端子７
３a〜７３ｄは、当該燃料電池装置７１に燃料流体であ
る水素を導入するための水素導入管７７とは反対側に並
べて配置されているが、これは一例に過ぎず、筐体７５
の他の側面や表面或いは裏面に前述のような接続端子７
３a〜７３ｄを形成しても良く、２面以上の面に亘って
接続端子を形成しても良い。

【００５４】機器８５側には、電気的な接続のためのピ
ン８４a〜８４ｄが設けられているが、このピン８４a〜
８４ｄに対して所要の配線が形成され、機器８５側が必
要な電力を任意に設定できるように構成される。一例と
して、４つの発電セル７２が並列に接続される例におい
ては、機器８５のプラス端子は接続端子７３ｂ、７３ｃ
に共通に接続され、機器８５のマイナス端子である接続
端子７３ａ、７３ｄに共通に接続される。このような配
線は、ピン８４a〜８４ｄに直接配線することも可能で
あり、前述のような接続切替板を挿入するようにしても
良い。

【００５５】図１５はノート型パソコン９１を当該燃料
電池を消費する装置とした場合の模式図である。この燃
料電池装置である燃料電池カード９４は、図１５に示す
ように、装置本体であるノート型パソコン９１のカード
用スロット９２から挿入して装着することができる。燃
料電池カード９４のノート型パソコン９１への挿入側と
反対側には燃料流体の供給源である燃料吸蔵部９５が着
脱自在に取り付けられている。

【００５６】ここでスロット９２は、当該燃料電池カー
ド９４専用の装置本体のハウジングに設けられた穴とす
ることもできるが、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標
準化されたサイズのスロットとすることも可能である。
具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化さ
れたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍ
ｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められ
ている。カードの厚みについては、タイプIとタイプＩ
Ｉのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイ
プＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍ
ｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。
また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．
３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下
で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。

【００５７】なお、本実施形態では、スロット９２は、
装置本体であるノート型パソコン９１のキーボード側本
体の側部に設けられているが、このスロット９２が設け
られる部分を図１５で破線で示すセレクタブルベイ９３
の一部とすることもできる。

【００５８】ノート型パソコン９１の内部には、接続切
替板９６が取り付けられており、図１３に示した装置の
ように、接続切替板９６を交換するだけで起電力を使用
するノート型パソコン９１が必要な電力を任意に設定で
きることになる。

【００５９】なお、本発明においては、燃料電池装置や
燃料電池カードを搭載する機器としてノート型パソコン
を例示したが、他の使用例として、本発明は、ポータブ
ルなプリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、
電話機、テレビジョン受像機、通信機器、携帯端末、カ
メラ、オーディオビデオ機器、扇風機、冷蔵庫、アイロ
ン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、
ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具、医療機
器、測定機器、車両搭載用機器、事務機器、健康美容器
具、電子制御型ロボット、衣類型電子機器、レジャー用
品、スポーツ用品、その他の用途に使用できるものであ
る。

【００６０】また、本発明では、燃料として主に水素ガ
スを使用する例について説明したが、いわゆるダイレク
トメタノール方式に対応してメタノール（液体）を燃料
とする構成としても良い。

【００６１】

【発明の効果】本発明の燃料電池装置及び燃料電池装置
の出力取り出し方法においては、接続切替板のような接
続モジュールによって複数の発電セルの間の電気的な接
続関係を容易に切り替えることができる。このため発電
力を利用する機器が多様化した場合でもその出力を切り
替えて柔軟に対応できることになる。また、旅行先や携
帯時など、燃料電池の持ち合わせがないときでも、接続
モジュールを選択したり、操作することで電力を変える
こともでき、高電圧用途や高電流用途などに柔軟に適合
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池装置の一実施形態の斜視図で
ある。

【図２】図１に示す燃料電池装置の実施形態の表面部を
取り外して示す平面図である。

【図３】図１に示す燃料電池装置の実施形態の発電セル
と筐体の分解斜視図である。

【図４】図１に示す燃料電池装置の実施形態の発電体の
分解斜視図である。

【図５】図１に示す燃料電池装置の実施形態の接続切替
板の配線パターンを示す平面図であって、４つの発電セ
ルが直列接続される例を示す平面図である。

【図６】図１に示す燃料電池装置の実施形態の接続切替
板の配線パターンを示す平面図であって、４つの発電セ
ルの中の２個が直列接続され、その直列接続されたセル
が並列に接続される例を示す平面図である。

【図７】図１に示す燃料電池装置の実施形態の接続切替
板の配線パターンを示す平面図であって、４つの発電セ
ルが並列接続される例を示す平面図である。

【図８】本発明の燃料電池装置の他の一実施形態の斜視
図である。

【図９】図８に示す燃料電池装置の実施形態の表面部を
取り外して示す平面図である。

【図１０】図８に示す燃料電池装置の実施形態の部分断
面図であり、図９の矢視方向におけるX-X線断面であ
る。

【図１１】図８に示す燃料電池装置の実施形態の接続切
替板の配線パターンを示す平面図であって、（ａ）は４
つの発電セルが直列接続される例を示す平面図であり、
（ｂ）は４つの発電セルの中の２個が直列接続され、そ
の直列接続されたセルが並列に接続される例を示す平面
図であり、（ｃ）は４つの発電セルが並列接続される例
を示す平面図である。

【図１２】本発明の燃料電池装置の更に他の一実施形態
の斜視図である。

【図１３】図１２に示す燃料電池装置の実施形態の表面
部を取り外して示す平面図である。

【図１４】図１２に示す燃料電池装置の実施形態の集電
体とその周辺部を示す斜視図である。

【図１５】本発明の燃料電池装置の一例を機器本体とし
てノート型パソコンに挿入することを示す斜視図であ
る。

【図１６】一般的なプロトン伝導体膜を用いた燃料電池
の一例を示す模式図である。

【符号の説明】 １、４１、７１ 燃料電池装置 ２、４２、７２ 発電セル ３ａ〜３ｄ、４３ａ〜４３ｄ、７３ａ〜７３ｄ 接続端
子 ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ 接続切替
板 ５、４５、７５ 筐体 ６、４６ カバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CX09 CX10 HH03 HH06 5H027 AA06 BA14 BC14 KK52 MM26

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料流体を用いて電力を発生させる複数
   の発電セルと、 前記発電セルのそれぞれに接続する複数の接続端子と、 前記接続端子の間の電気的な接続関係を可変とする接続
   モジュールとを有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 前記接続モジュールは複数枚の配線板を
   選択して使用することで構成されることを特徴とする請
   求項１記載の燃料電池装置。
3. 【請求項３】 前記接続モジュールを構成する配線板
   は、前記接続端子に応じた位置に接続部を有しており、
   それら接続部の間の配線パターンを変えることにより、
   前記接続関係を変えることを特徴とする請求項２記載の
   燃料電池装置。
4. 【請求項４】 前記発電セルは略平板状であることを特
   徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
5. 【請求項５】 前記発電セルは筐体内に配設され、前記
   接続モジュールは前記筐体に着脱自在とされることを特
   徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
6. 【請求項６】 前記発電セルは筐体内に配設され、前記
   筐体に着脱可能な装置本体内部に前記接続モジュールが
   取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の燃
   料電池装置。
7. 【請求項７】 前記発電セルは筐体内に配設され、前記
   複数の接続端子は前記筐体の一面に集約されていること
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
8. 【請求項８】 前記発電セルに燃料流体を供給する燃料
   貯蔵部が取り付け可能とされることを特徴とする請求項
   １記載の燃料電池装置。
9. 【請求項９】 前記燃料流体は水素ガス若しくはメタノ
   ールであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装
   置。
10. 【請求項１０】 表面に開口部を有する略平板状の筐体
    と、 前記筐体内に前記開口部に臨んで配設され燃料流体を用
    いて電力を発生させる複数の略平板状の発電セルと、 前記発電セルのそれぞれに接続する複数の接続端子と、 前記接続端子の間の電気的な接続関係を可変とする接続
    モジュールとを有することを特徴とする燃料電池装置。
11. 【請求項１１】 前記発電セルは前記開口部から酸素を
    取り入れることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池
    装置。
12. 【請求項１２】 前記略平板状の発電セルは、前記筐体
    の表面側と裏面側の２段に配設されることを特徴とする
    請求項１０記載の燃料電池装置。
13. 【請求項１３】 前記表面側と裏面側の２段のそれぞれ
    は、実質的に同一形状の前記発電セルを前記筐体の表面
    に平行な面でそれぞれ２枚並べて構成されることを特徴
    とする請求項１２記載の燃料電池装置。
14. 【請求項１４】 前記接続モジュールは複数枚の配線板
    を選択して使用することで構成されることを特徴とする
    請求項１０記載の燃料電池装置。
15. 【請求項１５】 前記接続モジュールを構成する配線板
    は、前記接続端子に応じた位置に接続部を有しており、
    それら接続部の間の配線パターンを変えることにより、
    前記接続関係を変えることを特徴とする請求項１０記載
    の燃料電池装置。
16. 【請求項１６】 前記接続モジュールは前記筐体に着脱
    自在とされることを特徴とする請求項１０記載の燃料電
    池装置。
17. 【請求項１７】 前記筐体に着脱可能な装置本体内部に
    前記接続モジュールが取り付けられていることを特徴と
    する請求項１０記載の燃料電池装置。
18. 【請求項１８】 前記複数の接続端子は前記筐体の一面
    に集約されていることを特徴とする請求項１０記載の燃
    料電池装置。
19. 【請求項１９】 前記複数の接続端子は前記筐体の表面
    と裏面の間の一側面に集約されていることを特徴とする
    請求項１８記載の燃料電池装置。
20. 【請求項２０】 前記複数の接続端子は前記筐体の表面
    若しくは裏面の前記開口部の形成されていない領域に集
    約されていることを特徴とする請求項１８記載の燃料電
    池装置。
21. 【請求項２１】 燃料流体を用いて電力を発生させる複
    数の発電セルにそれぞれ接続する複数の接続端子を形成
    し、 前記接続端子の間の電気的な接続関係を可変とする接続
    モジュールを用いて前記発電セルから取り出す電圧及び
    電流を可変とすることを特徴とする燃料電池装置の出力
    取り出し方法。
22. 【請求項２２】 前記接続モジュールは複数枚の配線板
    を選択して使用することで構成されることを特徴とする
    請求項２１記載の燃料電池装置の出力取り出し方法。
23. 【請求項２３】 前記接続モジュールを構成する配線板
    は、前記接続端子に応じた位置に接続部を有しており、
    それら接続部の間の配線パターンを変えることにより、
    前記接続関係を変えることを特徴とする請求項２１記載
    の燃料電池装置の出力取り出し方法。
24. 【請求項２４】 前記接続モジュールは前記筐体に着脱
    自在とされることを特徴とする請求項２１記載の燃料電
    池装置の出力取り出し方法。